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Ingeniería Fácil

14/7/2022

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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Ingeniería
El Sistema de Zanjas de Oxidación como una
Alternativa de Tratamiento Biológico en México

T E S I S

Que para obtener el título de

INGENIRO CIVIL

P r e s e n t a:
Héctor Octavio Rojas Suazo

Asesor de Tesis: Dr. Enrique Cesar Valdés

México D.F. 2012

UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
Restricciones de uso

DERECHOS RESERVADOS ©
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL

Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México).
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro,
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el
respectivo titular de los Derechos de Autor.

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Agradecimientos:

Quiero agradecer a todos los colaboradores del departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental,
especialmente al Dr. Enrique Cesar Valdés, por toda la paciencia y el apoyo brindados en el
proceso de titulación.

Agradezco a la UNAM por enseñarme a pensar distinto, a cuestionar lo establecido y a dar valor al
conocimiento.

Agradezco finalmente a mis grandes amigos (Tuva, Renato, Atzin, Lalo, Anibal, Hamad, Tomate,
Chepe, Ale, lala,, El mago, Esau, Gabriela, Ivo, Fernanda, Viri y toda la banda del Harmon, etc) a
todos aquellos quienes a lo largo de los años han compartido conmigo todo tipo de experiencias y
aventuras. Gracias por estar.

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Dedicatorias:
Este trabajo se lo dedico a las dos mujeres más importantes de mi vida.
Madre: Esto va por ti, para que sientas que tus esfuerzos y preocupaciones valieron la pena. De ti
aprendí a ser perseverante, a luchar y a levantarme con una sonrisa en el rostro. Eres para mí
ejemplo e inspiración. Gracias por todo el amor y todo el apoyo. Eres la jefa de jefas

Sandra Karlsson: Rumpan, esto no lo hubiera logrado sin ti. Te agradezco todo el apoyo, el amor
y todas las horas que estuviste fastidiándome para concluir esto. Espero que esto sea solo el inicio
de una vida plena contigo. Jag älskar dig och det ska jag alltid göra!

“For those who believe in God, most of the big questions are answered. But for those of us who can't readily
accept the God formula, the big answers don't remain stone-written. We adjust to new conditions and
discoveries. We are pliable. Love need not be a command nor faith a dictum”
Charles Bukowski
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Índice
Capitulo 1: Introducción ...................................................................................................................... 4
1.1. Objetivos ............................................................................................................................. 5
1.2. Alcances ............................................................................................................................... 6
1.3. Panorama general del estado de los recursos hídricos en México ..................................... 6
1.4. Tratamiento de aguas residuales ...................................................................................... 13
1.5. México: contexto demográfico y socioeconómico relativo al tratamiento de aguas
residuales ...................................................................................................................................... 14
Capitulo 2: Conceptos básicos sobre tratamiento de aguas residuales ............................................ 18
2.1. Aguas residuales, características y tipos de tratamiento ...................................................... 18
2.2. Microbiología de los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales .................... 22
2.3 Remoción de nutrientes (nitrificación/desnitrificación) ......................................................... 24
2.4 El proceso de lodos activados ............................................................................................... 27
Capítulo 3: Zanjas de oxidación ......................................................................................................... 41
3.1. Descripción y características .................................................................................................. 41
3.2. Consideraciones y parámetros de diseño .............................................................................. 42
Capitulo 4: Análisis comparativo básico entre los procesos de zanjas de oxidación, lagunas de
estabilización y lodos activados ........................................................................................................ 48
4.1. Costos ..................................................................................................................................... 48
4.2. Desempeño y operación ........................................................................................................ 50
4.3. Consumo energético y aplicabilidad ...................................................................................... 52
Capítulo 5: Conclusiones ................................................................................................................... 59
Lista de referencias ........................................................................................................................... 62

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Capítulo 1: Introducción
Hoy día es del conocimiento general el hecho de que los ecosistemas y los recursos naturales
están gravemente deteriorados, que las diferentes formas de la actividad humana, así como su
intensidad, traen consigo graves impactos sobre el ambiente. El concepto de impactos
ambientales ha adquirido en las últimas décadas, cada vez más importancia debido a que estos
afectan directa e indirectamente las dinámicas sociales y el capital natural disponible tanto a nivel
local como global. Lo anterior, junto con la continua y acelerada industrialización y el crecimiento
demográfico, amenazan la transición hacia un desarrollo sustentable y la estabilidad social.
El concepto de desarrollo sustentable1 nace en una realidad de escasez, sobrexplotación y
contaminación de los recursos naturales. Los modelos de desarrollo sustentables, buscan
funcionar como modelos de producción racional, cuyo objetivo central es la preservación de los
recursos naturales trabajando en torno a tres aspectos conceptuales generales: a) el bienestar
humano, b) el bienestar ecológico, y c) las interacciones establecidas a través de políticas públicas
en materia de población, equidad, distribución de la riqueza, desarrollo económico, producción y
consumo. Es necesario efectuar acciones importantes y oportunas para mitigar la afectación
ambiental con el fin de garantizar la preservación de los recursos naturales y encaminar el
desarrollo hacia modelos sustentables, que garanticen a su vez, tanto el bienestar de la población
como el desarrollo social y económico.
En México, apenas comienzan a definirse objetivos y estrategias para lograr la sustentabilidad.
Este trabajo se refiere a la conservación y aprovechamiento de los recursos hidráulicos,
específicamente al tratamientode aguas residuales, dado su impacto sobre los ecosistemas
acuáticos receptores y sus ecosistemas asociados. La administración federal actual considera en el
Plan Nacional de Desarrollo 2007-2012 una serie de metas al año 2030, entre las cuales se
propone lograr el tratamiento del 100% de las aguas residuales generadas en el país, para así
garantizar su adecuada conservación, aprovechamiento y gestión. Según las Estadísticas del Agua
en México, (CONAGUA, México 2008) se da algún tipo de tratamiento a apenas el 38.3% de las
aguas residuales, lo que da una clara idea acerca del trabajo que aún falta por hacer en cuanto a
cobertura, investigación, desarrollo e implantación de métodos y técnicas de tratamiento eficaces y
económicas.
Resulta entonces importante tomar decisiones informadas y responsables sobre qué procesos
conviene emplear para alcanzar la meta de tratamiento del 100% de las aguas residuales y con
ello dar un paso importante hacia la sustentabilidad.
En ingeniería ambiental, los tipos de tratamiento que reciben las aguas residuales, se clasifican en
tres niveles: primario, en el que los contaminantes presentes pueden ser eliminados por medio de
la aplicación de fuerzas físicas; secundario, con el cual se consigue la remoción de contaminantes
por actividad biológica, y finalmente, terciario, en el que la conversión o eliminación de los
contaminantes se lleva a cabo por medio de la adición de productos químicos o por reacciones
químicas de otra naturaleza.
Con relación al propósito del presente trabajo, se analiza la situación actual de los recursos
hídricos en México, el estado de la infraestructura hidráulica asociada a la gestión de dichos

1 En este trabajo se adopta la siguiente definición: Aquél que satisface las necesidades esenciales de la generación presente sin
comprometer la capacidad de satisfacer las necesidades esenciales de las generaciones futuras (Comisión Brutland “Nuestro Futuro

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Capítulo 1: Introducción
Hoy día es del conocimiento general el hecho de que los ecosistemas y los recursos naturales
están gravemente deteriorados, que las diferentes formas de la actividad humana, así como su
intensidad, traen consigo graves impactos sobre el ambiente. El concepto de impactos
ambientales ha adquirido en las últimas décadas, cada vez más importancia debido a que estos
afectan directa e indirectamente las dinámicas sociales y el capital natural disponible tanto a nivel
local como global. Lo anterior, junto con la continua y acelerada industrialización y el crecimiento
demográfico, amenazan la transición hacia un desarrollo sustentable y la estabilidad social.
El concepto de desarrollo sustentable1 nace en una realidad de escasez, sobrexplotación y
contaminación de los recursos naturales. Los modelos de desarrollo sustentables, buscan
funcionar como modelos de producción racional, cuyo objetivo central es la preservación de los
recursos naturales trabajando en torno a tres aspectos conceptuales generales: a) el bienestar
humano, b) el bienestar ecológico, y c) las interacciones establecidas a través de políticas públicas
en materia de población, equidad, distribución de la riqueza, desarrollo económico, producción y
consumo. Es necesario efectuar acciones importantes y oportunas para mitigar la afectación
ambiental con el fin de garantizar la preservación de los recursos naturales y encaminar el
desarrollo hacia modelos sustentables, que garanticen a su vez, tanto el bienestar de la población
como el desarrollo social y económico.
En México, apenas comienzan a definirse objetivos y estrategias para lograr la sustentabilidad.
Este trabajo se refiere a la conservación y aprovechamiento de los recursos hidráulicos,
específicamente al tratamiento de aguas residuales, dado su impacto sobre los ecosistemas
acuáticos receptores y sus ecosistemas asociados. La administración federal actual considera en el
Plan Nacional de Desarrollo 2007-2012 una serie de metas al año 2030, entre las cuales se
propone lograr el tratamiento del 100% de las aguas residuales generadas en el país, para así
garantizar su adecuada conservación, aprovechamiento y gestión. Según las Estadísticas del Agua
en México, (CONAGUA, México 2008) se da algún tipo de tratamiento a apenas el 38.3% de las
aguas residuales, lo que da una clara idea acerca del trabajo que aún falta por hacer en cuanto a
cobertura, investigación, desarrollo e implantación de métodos y técnicas de tratamiento eficaces y
económicas.
Resulta entonces importante tomar decisiones informadas y responsables sobre qué procesos
conviene emplear para alcanzar la meta de tratamiento del 100% de las aguas residuales y con
ello dar un paso importante hacia la sustentabilidad.
En ingeniería ambiental, los tipos de tratamiento que reciben las aguas residuales, se clasifican en
tres niveles: primario, en el que los contaminantes presentes pueden ser eliminados por medio de
la aplicación de fuerzas físicas; secundario, con el cual se consigue la remoción de contaminantes
por actividad biológica, y finalmente, terciario, en el que la conversión o eliminación de los
contaminantes se lleva a cabo por medio de la adición de productos químicos o por reacciones
químicas de otra naturaleza.
Con relación al propósito del presente trabajo, se analiza la situación actual de los recursos
hídricos en México, el estado de la infraestructura hidráulica asociada a la gestión de dichos

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

recursos, como son la potabilización, la cobertura de alcantarillado, la infraestructura de tratamiento
de aguas residuales y la tecnología de tratamiento más empleada.
Se destaca el análisis de los procesos biológicos ampliamente usados en México: el sistema de
lodos activados y el de lagunas de oxidación. Se estudian sus características de diseño y
operación, posteriormente se realiza un análisis comparativo básico entre los dos sistemas antes
mencionados con el sistema de zanjas de oxidación. Las zanjas de oxidación se proponen en este
trabajo como una alternativa viable, ya que a consideración del autor, las características de las
zanjas de oxidación y las características socioeconómicas y demográficas del país muestran
interesantes compatibilidades y coincidencias que pueden aprovecharse para poner en marcha
sistemas que puedan garantizar: economía, altos niveles de desempeño y que brinden la
posibilidad de cumplir en el futuro con normatividad más estricta. Las zanjas de oxidación son un
proceso muy usado en EU y Europa, debido a que además de ser fácil de operar, ofrecen altos
niveles de desempeño a bajo costo. Sin embargo, en México su uso es limitado, con menos de 30
plantas de tratamiento construidas en todo el país.
Por otro lado, a nivel internacional, las normas que regulan los límites máximos permisibles de
descarga de contaminantes a las aguas superficiales se han vuelto más estrictas, particularmente
con respecto a las concentraciones permisibles de nitrógeno total presente en efluentes. Lo
anterior hace más atractivo al sistema de zanjas de oxidación, ya que ha probado generar
efluentes muy estables y altas tasas de eficiencia en la remoción de compuestos de nitrógeno.
Actualmente en el país, los procesos de depuración más ampliamente usados son las lagunas de
estabilización y el proceso de lodos activados convencional, con 646 y427 plantas de tratamiento
respectivamente (Inventario nacional de plantas municipales de potabilización y tratamiento de
aguas residuales en operación, 2008, CONAGUA). Sin embargo, es importante analizar otros
sistemas de tratamiento que han mostrado ser muy efectivos en la remoción de contaminantes, a la
vez de ser razonablemente económicos y fáciles de operar.

1.1. Objetivos

Describir la situación actual de los recursos hídricos en México, poniendo especial atención
en aspectos de cobertura e infraestructura, especialmente en cuanto a disponibilidad,
calidad del agua, potabilización, y con mayor detalle, lo referente a infraestructura para el
tratamiento de las aguas residuales.
Analizar y describir las características de diseño y operación de los dos sistemas de
tratamiento biológico más ampliamente usados en México: lagunas de estabilización y
lodos activados convencional.
Analizar y describir el sistema de zanjas de oxidación, sus características diseño,
operación, aplicabilidad y versatilidad, eficiencia y costo del proceso.
Identificar las fortalezas y debilidades de cada uno de los tres procesos descritos.

Hipótesis

El sistema de zanjas de oxidación constituye un proceso de tratamiento biológico
competitivo y presenta ventajas sobre los sistemas de tratamiento más ampliamente
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

usados, sin diferencias significativas en costo, por lo que son una alternativa viable para
ser aprovechada en México.

1.2. Alcances
El presente trabajo es una investigación cualitativa para conocer el sistema de depuración a base
de zanjas de oxidación, describirlo de manera amplia y presentar sus fortalezas y debilidades.
Como ya se mencionó, se realiza un análisis comparativo básico entre las zanjas de oxidación, las
lagunas de oxidación y el método convencional de lodos activados. El análisis se realiza en torno a
cuatro categorías:
Diseño
Operación y mantenimiento
Aplicabilidad y versatilidad
Costo
El informe se presenta en cuatro capítulos, el primero sirve de introducción para conocer datos
relevantes en cuanto a la gestión, aprovechamiento y conservación de los recursos hidráulicos en
México. Además, se plantean los objetivos y alcances de este trabajo, y finalmente, se mencionan
algunos aspectos y características socioeconómicas y demográficas de México, que a juicio del
autor, inciden positivamente en el desempeño de las zanjas de oxidación en torno a las cuatro
categorías de comparación antes mencionadas. El segundo capítulo ofrece un panorama general
sobre fundamentos del tratamiento biológico de aguas residuales, su microbiología, los indicadores
y parámetros de desempeño (DBO, SST, nitrificación y desnitrificación). Ya al final del segundo
capítulo se introducen también los sistemas biológicos lagunas de estabilización y lodos activados
convencional. Se describen sus características para su posterior análisis y comparación a lo largo
del capítulo 4. En el capítulo 3 se revisan las zanjas de oxidación, sus características, ventajas y
desventajas e innovaciones existentes, los diseños y tecnología más recientes para mejorar sus
procesos. Finalmente, en el capítulo 5 se presentan los resultados e interpretaciones del análisis
hecho a los tres sistemas de tratamiento, comentarios finales y sugerencias.
1.3. Panorama general del estado de los recursos hídricos en México
Disponibilidad
La disponibilidad de agua es una necesidad básica del ser humano y de todas las especies con las
que coexistimos en el planeta. Evidentemente, la disponibilidad y la escasez de agua representan
variables clave para el desarrollo económico y social de cualquier país. En los últimos años se ha
intensificado el estudio de la cuantificación de la disponibilidad del líquido. Actualmente existe una
escala de clasificación de disponibilidad de agua cuyo indicador representa la disponibilidad de
agua por habitante al año (Tabla 1.1).

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Tabla 1.1 Clasificación de la disponibilidad de agua

Fuente: UNPD, UNEP, Banco Mundial y WRI. World Resources 2000 – 2001. WRI. U.S.A. 2000.

Anualmente, México recibe del orden de 1 489 miles de millones de metros cúbicos de agua en
forma de precipitación. De esta agua, se estima que el 73.2% se evapotranspira y regresa a la
atmósfera, el 22.1% escurre por los ríos o arroyos, y el 4.7% restante se infiltra al subsuelo de
forma natural y recarga los acuíferos, dejando una disponibilidad natural de agua de
aproximadamente 4 547 m3/ (hab/año)(Estadísticas del agua en México, 2010. CONAGUA), lo cual
nos ubica como un país con baja disponibilidad de agua. Una disponibilidad natural inferior a los
2 000 m3/(hab/año) se considera un indicador de escasez.

Aunque la disponibilidad promedio mexicana está aún por encima del valor de escasez, con el
acelerado crecimiento de la población, el bajo porcentaje de las aguas residuales que reciben
algún tipo de tratamiento, combinado con una actitud generalizada de descuido hacia el ambiente
por parte de la población, el país se acerca peligrosamente a los mencionados niveles de escasez
de agua.

En la Tabla 1.2 se muestran varios indicadores que revelan la situación actual de los recursos
hídricos en México con respecto a otros países. Se hace evidente además, la situación de
sobreexplotación que existe en el país. A partir de la década de los setenta, ha aumentado
sustancialmente el número de acuíferos sobreexplotados, en el año 1975 eran 32, 80 en 1985, y
101 acuíferos sobreexplotados al 31 de diciembre de 2008. De los acuíferos sobreexplotados se
extrae el 58% del agua subterránea para todos los usos. (Indicadores Básicos del Desempeño
Ambiental de México.2005. UNPD) Las cifras muestran que el país tiene una capacidad de recarga
promedio anual de 77 kilómetros cúbicos, pero una extracción total de 72.6 kilómetros cúbicos.
Comparativamente con otros países que tienen mayor capacidad de recarga, México extrae de los
acuíferos prácticamente lo mismo que recibe de recarga, hecho que contribuye a la acelerada
degradación de los recursos hídricos nacionales.

Volumen de agua
(m3/hab/año) Categoría de disponibilidad

‹ 1000 Extremadamente baja
1000 – 2000 Muy Baja
2000 – 5000 Baja
5000 – 10000 Media
10000 – 20000 Alta
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Tabla 1.2 Indicadores hídricos, comparativa internacional

Al analizar el tema de la disponibilidad de agua en la República Mexicana, conviene analizarle
desde tres perspectivas generales. Primero, desde una perspectiva temporal, ya que en México
existen grandes variaciones de la disponibilidad a lo largo del año. La distribución mensual de la
precipitación acentúa los problemas relacionados con la disponibilidad del recurso, debido a que el
68% de la precipitación normal mensual ocurre entre los meses de junio y septiembre. La mayor
parte de la lluvia ocurre en el verano, mientras que el resto del año es relativamente seco. En
segundo lugar, hay que analizar la disponibilidad de agua desde una perspectiva espacial, ya que
algunas regiones del país tienen precipitación abundante y baja densidad de población, como es el
caso del sureste, mientras que en otras ocurre exactamente lo contrario, baja disponibilidad y
elevada presión sobre el recurso. Finalmente, es siempre importante considerar una perspectiva
local, una determinada área de análisis, ya que el problema del agua es predominantemente de
Países
seleccionados Año
Recursos
hídricos
renovables
Recarga
anual
promedio
Extracción
total
Extracción según uso
(Porcentaje)
Disponibilidadde agua por
habitante
(Kilómetros cúbicos) Doméstico Industrial Agrícola (m3/hab/dia)
África
Egipto 1996 1.8 1.3 66 7 11 82 830
Kenia 1990 20 3 2.1 20 4 76 947
Nigeria 1987 221 87 3.6 31 15 54 2 384
América
Argentina 1995 276 128 28.6 16 9 75 21 453
Brasil 1992 5 418.0 1 874.0 54.9 21 18 61 47 125
Canadá 1991 2 850.0 370 45.1 18 70 12 92 810
Chile 1990 922 140 21.4 5 11 84 59 143
Estados Unidos 1990 2 800.0 1 300.0 447.7 13 45 42 10 574
México 2002 476 77 72.6 13 10 77 4 547
Perú 1992 1 616.0 303 19 7 7 86 72 127
Asia
China 1993 2 812.0 829 525.5 5 18 78 2 186
Corea 1994 65 13 23.7 26 11 63 1 471
India 1990 1 261.0 419 500 5 3 92 1 822
Japón 1992 430 27 91.4 19 17 64 3 372
Europa
Alemania 1991 107 46 46.3 11 69 20 1 878
España 1997 111 30 35.2 13 19 68 2 793
Finlandia 1991 107 2.2 2.2 12 85 3 21 223
Francia 1999 179 100 32.3 18 72 10 3 414
Italia 1998 183 43 42 19 34 48 3 330
Fuente: INEGI
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

tipo local. Los indicadores calculados a gran escala esconden las fuertes variaciones que existen a
lo largo y ancho del país.
Para fines de administración y de gestión de las aguas nacionales, a partir de 1997 el país se ha
dividido en 13 Regiones Hidrológico-Administrativas. Las Regiones Hidrológico-Administrativas
están formadas por agrupaciones de cuencas, consideradas las unidades básicas de gestión de
los recursos hídricos, pero sus límites respetan los municipales, para facilitar la integración de la
información socioeconómica.

La Región XIII Valle de México, presenta relativamente gran población y baja cantidad de agua
renovable, y aporta una gran proporción del PIB nacional. En contraste, otras regiones presentan
características disímiles en aportación al PIB, población y agua renovable. Un ejemplo sería la
región XI Frontera Sur, con la mayor cantidad regional de agua renovable, relativamente baja
población y aportación al PIB. Algunas Regiones Hidrológico-Administrativas, como son la XIII
Aguas del Valle de México, VI Río Bravo y VIII Lerma-Santiago-Pacífico, el valor de la
disponibilidad natural media per cápita es preocupantemente bajo. Además, algunos de los
acuíferos tienen periodos de renovación, entendidos como la razón de su almacenamiento
estimado entre su recarga anual, que son excepcionalmente largos. A estos acuíferos se les
considera entonces como aguas no renovables. Anualmente, México recibe del orden de 1 489
miles de millones de metros cúbicos de agua en forma de precipitación. De esta agua, se estima
que el 73.2% se evapotranspira y regresa a la atmósfera, el 22.1% escurre por los ríos o arroyos, y
el 4.7% restante se infiltra al subsuelo de forma natural y recarga los acuíferos. Tomando en
cuenta las exportaciones e importaciones de agua con los países vecinos, así como la recarga
incidental, anualmente el país cuenta con 459 mil millones de metros cúbicos de agua dulce
renovable (Estadísticas del agua en México, 2010).

Contaminación

“México tiene urgentes y críticos problemas relacionados con el agua, incluyendo la
sobreexplotación y contaminación de las aguas superficiales y subterráneas en las regiones donde
habita la mayoría de la población y donde se genera la mayor parte del PIB. El uso no sustentable
del agua en estas áreas donde el agua escasea representa una restricción para el desarrollo
económico y la competitividad. También afecta el acceso y la calidad de los servicios a los sectores
vulnerables y degrada el ambiente. La irrigación es el sector que más agua consume con el 77 por
ciento del total de las extracciones en México”.

“En cuanto a servicios de saneamiento, los principales retos son: reducir importantes rezagos en
cuanto al acceso a los servicios de saneamiento (drenaje), principalmente en comunidades
pobres, en zonas rurales y en comunidades indígenas, así como incrementar la cobertura para el
tratamiento de las aguas residuales y elevar los niveles de eficiencia de operación y la calidad de
los servicios”. (Traducción libre del: - Water Resources. Averting a water crisis in Mexico–: The World Bank,
Mexico 2006. Olson and Saltiel)

El extracto anterior, describe en un par de párrafos, una serie de situaciones que han venido
desarrollándose en los últimos años, las cuales han sido factor importante en la acelerada
degradación de los recursos hídricos nacionales. Para los alcances de esta tesis, resulta
particularmente importante la relación entre la falta de tratamiento de las aguas residuales, con la
contaminación de los cuerpos receptores y la posterior degradación de los ecosistemas de los
cuales son parte. A mayores volúmenes extraídos para satisfacer las necesidades de los
consumidores, se incrementan también los volúmenes de aguas residuales que vulneran y
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

degradan la calidad de las mismas fuentes de abastecimiento, ya que la mayor parte de los usos
afecta la calidad del agua (Jackson, 2001).
De acuerdo con Dingman, la calidad del agua se refiere a la concentración de gases y sólidos
disueltos, sólidos en suspensión, iones de hidrógeno, organismos patógenos y calor en una
determinada cantidad de agua. Las sustancias químicas representan un problema para la calidad
del agua dependiendo de su toxicidad intrínseca, del tiempo que persisten en el líquido sin
descomponerse, de su bioacumulación, de la manera como interactúan con otros químicos, de
cómo se transportan del suelo y el aire hacia el agua y de su potencial de transformación en otras
formas químicas más peligrosas (Swackhamer, 2004). La valoración del agua como de buena o
mala calidad no es absoluta, depende del uso que se le dé o el destino que tenga, por ello, la
calidad del agua puede también ser definida simplemente como la aptitud del líquido para sostener
varios usos o procesos. (Dingman, 2001.)

La descarga de aguas residuales municipales es indicativa de la magnitud de la presión ejercida
sobre la calidad de los cuerpos de agua, sobre todo de los superficiales, ya que en México las
aguas residuales son directamente vertidas sobre ellos, en su mayor parte sin previo tratamiento.
Además, funcionan como sumideros para otras fuentes de contaminación, puntuales o difusas.
Dingman y Carpenter definen las fuentes puntuales como aquellas que abarcan poca superficie,
como son los desagües industriales, municipales o de granjas, los tiraderos de desechos, las fosas
sépticas, los tanques de almacenamiento con fugas, los pozos y ductos petroleros con derrames y
las chimeneas. Las fuentes difusas abarcan grandes superficies, como los terrenos agrícolas y
pecuarios, las minas a cielo abierto, las superficies urbanas y la precipitación de contaminantes
atmosféricos. La lluvia, el escurrimiento y la infiltración lavan el aire y el suelo y arrastran consigo
las sustancias contaminantes hacia los cuerpos de agua superficiales y subterráneos.
En cuanto a los niveles de contaminación, la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) realiza una
medición sistemática de la calidad del agua a través de la Red Nacional de Monitoreo (RNM). En el
año 2008, la RNM contaba con 1014 sitios, de los cuales 389 corresponden a la red primaria, con
207 ubicados en cuerpos de agua superficiales, 52 en zonas costeras y 130 en acuíferos. En la red
secundaria se contaba con 285 estaciones, de las cuales 241 estaban localizadas en aguas
superficiales, 19 en zonas costeras y 25 en aguas subterráneas. El resto pertenece a la red de 284
estudios especiales (251) y a la red de referencia de agua subterránea (89). Los sitios con
monitoreo de calidad del agua están ubicados en varios de los principales cuerpos de agua del
país, incluyendo zonas con alta influencia antropogénica.2 (Estadísticas del Agua en México. 2008.
CONAGUA).Actualmente, la Comisión Nacional del Agua publica como sus principales indicadores de la calidad
del agua, la demanda bioquímica de oxígeno a cinco días (DBO5), la demanda química de oxígeno
(DQO) y la concentración de sólidos suspendidos totales (SST). Llama la atención que la
CONAGUA no pública entre sus principales indicadores las concentraciones de nitratos totales
presentes en las aguas superficiales o subterráneas, aun cuando se cuenta con evidencias sólidas
del efecto adverso en la salud humana. Asimismo, el agua contaminada con nitrato puede afectar
el crecimiento del ganado y causarle abortos, así como un tipo de anemia similar a la

2
El término antropogénico se refiere a los efectos, procesos o materiales que son el resultado de actividades humanas a diferencia de
los que tienen causas naturales sin influencia humana. Normalmente se usa para describir contaminaciones ambientales en forma de
desechos químicos o biológicos como consecuencia de las actividades económicas, tales como la producción de dióxido de carbono por
consumo de combustibles fósiles. (Scott, Michon «Glossary»2008Earth Observatory.)
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

metahemoglobinemia que genera en infantes humanos (Vitousek ,1997; Carpenter). El indicador
nitrato en aguas superficiales describe el estado de contaminación de los cuerpos de agua
superficiales con respecto a este compuesto. La EPA (2003), la OCDE (1993) y la Agencia
Ambiental Europea (EEA, 2005) cuantifican el nitrógeno en aguas superficiales para sus
indicadores ambientales.

La demanda bioquímica de oxígeno se utiliza como indicador de la cantidad de materia orgánica
biodegradable presente en el agua. El incremento de la materia orgánica provoca la disminución
del contenido de oxígeno disuelto en los cuerpos de agua (lo cual crea condiciones de “anoxia”),
con efectos negativos en las comunidades biológicas presentes en los ecosistemas acuáticos.

En 2007, según informo la CONAGUA, en 38% de los sitios de monitoreo la demanda bioquímica
de oxígeno (DBO5) fue inferior a los 3 mg/L, lo que se considera como valor límite para una
excelente calidad del agua, en contraste, 62% sufre algún grado de contaminación. Otro
contaminante detectado frecuentemente en los cuerpos de agua son los fosfatos, que provienen,
por lo general, de los compuestos que se aplican como fertilizantes en zonas agrícolas y de los
detergentes que se emplean en las zonas urbanas, aunque también se generan por la erosión del
suelo y la materia orgánica en descomposición que descargan industrias, hogares y granjas de
animales domésticos. El fósforo en el agua no se considera tóxico para los humanos y los
animales, sin embargo, puede tener efectos indirectos a través de la eutrofización de los cuerpos
de agua superficiales, que implica el crecimiento explosivo de algas y el posterior abatimiento de
oxígeno debido a la descomposición de éstas cuando mueren. Al igual que con los nitratos, la
CONAGUA no publica dentro de sus principales parámetros de calidad del agua, las
concentraciones totales de fosfatos.

Según datos de la CONAGUA, las regiones administrativas que presentan los porcentajes de
estaciones con mayor contaminación por Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) son: el Valle de
México y Sistema Cutzamala (32%), Golfo Centro (10.8%) y Balsas (5.1%). A nivel nacional, 5.3%
de las estaciones de monitoreo aparece con fuerte contaminación; 14.3% está contaminada; 15.7%
tiene calidad aceptable, 12.9% buena calidad y 51.8% excelente calidad.

Agua potable y alcantarillado

El bienestar de la población depende, en gran medida, de su acceso a servicios básicos, siendo el
agua potable y alcantarillado dos de los más importantes. Estos servicios no sólo satisfacen la sed
y otras necesidades domésticas como la higiene en los hogares, sino que también se ligan
íntimamente a la salud de la población. Actualmente se reconoce que la falta de acceso al agua
potable genera 80% de las enfermedades en los países en desarrollo, la muerte anual de 2.2
millones de personas (de las cuales 50% son niños menores de 5 años) y 400 millones de casos
de malaria (Carabias y Landa, 2005). Claramente se ha vuelto imperativo para los gobiernos del
mundo el impulso hacia la construcción de la infraestructura hidráulica que lleve los servicios de
agua potable y alcantarillado a sus crecientes poblaciones. Sin embargo, falta mucho por hacer.

Agua Potable

En el caso de México, la CONAGUA considera que la cobertura de agua potable incluye a las
personas que tienen agua entubada dentro de la vivienda; fuera de la vivienda, pero dentro del
terreno o bien, de la llave pública u otra vivienda. Lo anterior quiere decir que los habitantes con
cobertura no necesariamente disponen de agua con calidad para consumo humano. Tomando en
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

cuenta esta definición y los resultados del Conteo de Población y Vivienda del 2005, al 17 de
octubre de 2010, el 89.2% de la población tenía cobertura de agua potable. La CONAGUA estima
que al cierre de 2010, la cobertura de agua potable fue de 90.3%, desglosándose en 94.3% de
cobertura en zonas urbanas y 76.8% en zonas rurales (Estadísticas del agua en México 2010). La
evolución de la población con cobertura es diferencial respecto del rango de población de la
localidad. La población en localidades grandes, mayores de 100 000 habitantes, incrementan su
cobertura más rápidamente que en localidades más pequeñas. No obstante, debe tomarse en
cuenta que el incremento de la población es mayor en las localidades urbanas, en tanto que en las
localidades rurales decrece.

En la Tabla I.3 se presenta una serie histórica que inicia en 1993 y hasta 2008. La serie muestra
los incrementos alcanzados en México en cuanto a número de plantas potabilizadoras, capacidad
instalada y caudal de agua potabilizada.

Tabla 1.3 Plantas potabilizadoras municipales en México, 2000 – 2008

Fuente: CONAGUA/SGAPDS/Gerencia de Potabilización y Tratamiento

De acuerdo con el inventario nacional, al 31 de diciembre de 2008, México contaba con 604
plantas en operación, con una capacidad instalada de 130.9 metros cúbicos por segundo, que
procesan y potabilizan un caudal de 87.3 metros cúbicos por segundo, principalmente de aguas
superficiales. De los 328.2 metros cúbicos por segundo de agua suministrada a nivel nacional, se
estima que 206.8 metros cúbicos por segundo 63.0% provienen de fuentes subterráneas, el resto
del suministro se obtiene de fuentes superficiales, del cual se procesan para su potabilización del
orden de 79.4 metros cúbicos por segundo (Estadísticas del Agua en México, edición 2008). En la
Tabla 1.4 (anexo) se muestran un desglose del número de plantas potabilizadoras en operación,
capacidad instalada y caudal potabilizado por entidad federativa

Para lograr una gestión sustentable, es necesario también, revisar continuamente la normatividad
vigente, actualizarla conforme a los estándares internacionales, y más importante aún, dotar a las
instituciones y organismos responsables de hacerlas valer de credibilidad y eficiencia operativa.
Actualmente en México existen tres normas que regulan los estándares de potabilización y calidad
del agua, dichas normas se presentan debajo.

Norma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994. Salud ambiental. Agua para uso y consumo
humano. Límites permisibles de calidad y tratamiento a que debe someterse el agua para
su potabilización. Publicada el 18 de enero de 1996 y modificada el 22 de noviembre de
2000.
Año
En operación
No. De
Plantas
Capacidad
instalada
(l/s)
Caudal
potabilizado
(l/s)
2000 336 105 003 78 319
2001 400 114 703 84 878
2002 439 122 23981 796
2003 465 125 294 83 660
2004 482 125 294 85 605
2005 488 121 758 87 052
2006 491 118 137 85 399
2007 541 126 492 86 393
2008 604 130 877 87 310
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Norma Oficial Mexicana NOM-179-SSA1-1998. Vigilancia y evaluación del control de
calidad del agua para uso y consumo humano, distribuida por los sistemas de
abastecimiento público. Publicada el 24 de septiembre de 2001.
Norma Oficial Mexicana NOM-230-SSA1-2002. Salud ambiental. Agua para uso y consumo
humano, requisitos sanitarios que se deben cumplir en los sistemas de abastecimiento
públicos y privados durante el manejo del agua. Procedimientos sanitarios para el
muestreo. Publicada el 12 de julio de 2005.

Alcantarillado

Según la definición proporcionada en el “Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento”
SEMARNAT 2009. Un sistema de alcantarillado sanitario está integrado por todos o algunos de los
siguientes elementos: atarjeas, colectores, interceptores, emisores, plantas de tratamiento,
estaciones de bombeo, descarga final y obras accesorias. El destino final de las aguas servidas
podrá ser, previo tratamiento, desde un cuerpo receptor hasta el reúso o la recarga de acuíferos,
dependiendo del tratamiento que se realice y de las condiciones particulares de la zona de estudio.
Sin embargo, para fines estadísticos, la CONAGUA, en sus “Estadísticas del Agua en México
2010”, considera a los habitantes con cobertura de alcantarillado a aquellas personas que tienen
conexión a la red de alcantarillado a una fosa séptica, o bien a un desagüe, a una barranca, grieta,
lago o mar. Por lo anterior, se recomienda considerar las cifras oficiales en cuanto a la cobertura de
los sistemas de alcantarillado con reserva. Tomando en cuenta la definición anterior y los
resultados del Conteo de Población y Vivienda del 2005. La CONAGUA estima que al cierre de
2008, la cobertura de alcantarillado fue de 86.4%, compuesta de 93.9% de cobertura en zonas
urbanas y 61.8% en zonas rurales

1.4. Tratamiento de aguas residuales

En este trabajo se consideran como aguas residuales urbanas a aquellas que provienen de las
viviendas, edificios públicos y del escurrimiento urbano que se colecta en la red de drenaje. Sus
principales contaminantes son los nutrimentos (nitrógeno y fósforo), organismos patógenos
(bacterias y virus), materia orgánica biodegradable, metales pesados, sustancias químicas
orgánicas sintéticas, hormonas y productos farmacéuticos (Silk y Ciruna, 2004). El tratamiento de
las aguas residuales urbanas es importante ya que muchas de las sustancias contaminantes
pueden ser absorbidas y acumularse en los tejidos de los organismos acuáticos (tanto plantas
como animales), afectando en consecuencia la cadena trófica, la abundancia de las especies y la
estructura de las comunidades biológicas, causando así severos daños ambientales y de salud
pública.

De 1960 a 2008, la población de México aumentó de 34.4 a 106.1 millones de habitantes,
impactando con una carga mayor sobre la infraestructura existente y un aumento en la producción
de residuos domésticos. La tendencia de aumento en la población seguirá con la consecuente
generación de aguas residuales.

En el país, a finales del año 2008 solamente el 40.2 % del agua recibía algún tipo de tratamiento,
mientras que el 59.8% restante de las aguas residuales recolectadas en el sistema de
alcantarillado se vierte a ríos, lagos o lagunas y zonas costeras sin ningún tratamiento previo.
(Estadísticas del agua en México 2010). Esto evidentemente genera un proceso acelerado de
contaminación de los cuerpos de agua receptores y graves daños a los ecosistemas asociados.
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Incluso existe evidencia de que las zonas costeras mexicanas presentan graves problemas de
contaminación. Muchos estuarios, lagunas costeras y humedales, presentan algunos, daños
irreversibles y considerables costos sociales y económicos.

De acuerdo con información recabada por la CONAGUA a través de sus Organismos de Cuenca y
direcciones locales, a diciembre de 2008 existían en el país 1 833 plantas en operación formal, con
una capacidad total instalada de 113 metros cúbicos por segundo. Las 1 833 plantas en operación
procesan un caudal de 83.6 metros cúbicos por segundo, equivalente al 40.2% del total de las
aguas residuales generadas y colectadas en los sistemas formales de alcantarillado municipales,
estimado en 208 metros cúbicos por segundo (Estadísticas del Agua en México 2010).

Por otro lado, el método de tratamiento biológico de aguas residuales más utilizado en el país es el
de lagunas de estabilización, aplicado en 677 plantas, equivalentes al 36.9% del total de las
mismas, seguido del de lodos activados que se aplica en 454 plantas, 24.8% del total. En tercer
lugar figura el RAFA (reactor anaerobio de flujo ascendente), que se utiliza en 130 plantas, que
equivalen al 7.1% del total. Más adelante en el presente informe, se comparan los dos sistemas
antes mencionados con el propuesto por el autor, las zanjas de oxidación.

En cuanto a cobertura, para 2009 se estableció como meta nacional parcial lograr el tratamiento
del 43.5% de las aguas residuales, que es un equivalente a un caudal total tratado de 92.2 m3/s, lo
que implicaba incrementar en 7.1 m3/s las aguas tratadas. De acuerdo con información que
recaba la CONAGUA a través de sus organismos de cuenca, a diciembre de 2009 existían en el
país 2029 plantas en operación formal, con una capacidad total instalada de 121 m3/s. Las 2,029
plantas en operación procesan un caudal de 88.1 m3/s, equivalente al 42.1% del total de las aguas
residuales generadas y colectadas en los sistemas de alcantarillado municipales, estimado en 209
m3/s. La meta establecida para el año 2012 es tratar el 60% del volumen total de aguas residuales
colectadas en los sistemas formales de alcantarillado del país.

Con respecto a la gestión para el tratamiento de aguas residuales en México, actualmente, existen
algunos programas que buscan mejorar la el aprovechamiento del recurso, tales como: Programa
de Agua Potable y Alcantarillado en Zonas Urbanas (APAZU); Programa de Devolución de
Derechos (PRODDER); Programa Federal de Saneamiento de Aguas Residuales (PROSANEAR);
Programa de Modernización de Organismos Operadores (PROMAGUA) y Programa para la
Construcción y Rehabilitación de Sistemas de Agua Potable y Saneamiento en Zonas Rurales
(PROSSAPYS). A través de estos programas se proporciona apoyo técnico y económico a
gobiernos municipales y estatales con el propósito de que con los recursos financieros que ellos
también aporten se construyan plantas de tratamiento de aguas residuales y se encarguen de su
operación.

1.5. México: contexto demográfico y socioeconómico relativo al tratamiento de aguas residuales

Las características demográficas y socioeconómicas de cada región, determinan en buena medida
qué tipo de método de tratamiento resulta viable aplicar. Por lo anterior, es importante aportar de
manera breve información demográfica y socioeconómica que proporcione un contexto más
amplio y que además resulta relevante para el adecuado diseño y operación de los sistemas de
tratamiento.
Demografía
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

A mediados de 2006, en México habitaban 104.9 millones de personas: 50.7% de ellos mujeres y
el 49.3% restante hombres. Por otro lado, de acuerdo con los indicadores nacionales de
crecimiento poblacional, el país se encuentra en una fase avanzada de transición demográfica. Las
proyecciones del Consejo Nacional de Población, 2005-2050 (Conapo, 2006a) señalan que el
crecimiento poblacional seguirá hasta llegar a 108.4 millonesen 2010 y 120.9 millones en 2030.
(INEGI).
En 2006, la población mexicana estaba distribuida en 363 ciudades: 273 ciudades pequeñas de
entre 15 mil y 100 mil habitantes (donde habitaba menos de 9% de la población total del país), 81
ciudades medias con población entre 100 mil y un millón de habitantes (donde residía cerca de
27% de la población) y nueve grandes zonas metropolitanas con más de un millón de habitantes
(en las que se concentró aproximadamente 35% de la población del país; 36.1 millones)
(SEMARNAT).

Un dato demográfico que resulta particularmente importante para la planeación y desarrollo de
infraestructura, es el tamaño de las poblaciones que conforman el país, en número de habitantes.
A continuación se muestra en la Tabla 1.4 la distribución de la población nacional por tamaño de
localidad. Además, se presenta un gráfico muy interesante que muestra la distribución, con
respecto a su tamaño, de las localidades con menos de 15 mil habitantes a lo largo del territorio
nacional.

Fuente: Informe de la situación del medio ambiente en México. SEMARNAT, 2008
Figura 1.1. Localidades con menos de 15mil habitantes a lo largo del territorio nacional

Tabla 1.4. Distribución de la población por tamaño de localidad al año 2005 en millones de
habitantes
Población de localidad Número de localidades Población (millones hab) % de la población

Mas de 500 000 34 29.12 28.20
De 50 000 a 49 9999 162 26.45 25.61
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

De 2 500 a 49 999 2994 23.41 22.67
De 100 a 2 499 47233 21.84 21.15
Menos de 100 137 938 2.44 2.36
Total 187 938 103.26 100
Fuente: INEGI. II conteo de vivienda 2005
Contexto socioeconómico
Según la Evaluación de los Ecosistemas del Milenio (2005), en los últimos 50 años, los seres
humanos hemos cambiado las dinámicas de los ecosistemas más rápida y extensamente que en
cualquier periodo comparable de la historia humana, en gran parte para satisfacer las demandas
crecientes de alimento, agua, madera, fibras, combustibles y muchos otros satisfactores. Estos
cambios han generado ganancias sustanciales netas en el bienestar humano y el desarrollo
económico, pero con consecuencias negativas ambientales que no están incluidas en el costo de
producción. Por ejemplo, en la agricultura tecnificada, la producción de alimentos no incluye los
daños fuera de sitio como la eutrofización de los cuerpos de agua provocada por la lixiviación de
los fertilizantes y agroquímicos.
Toda la inmensa variedad de actividades económicas y de producción que son realizadas para
satisfacer las necesidades de productos y servicios que el país requiere para su adecuado
desarrollo, pueden ser organizadas en tres grandes sectores, tales sectores son simplemente
denominados como sectores primario, secundario y terciario. Las actividades de los tres sectores
están ligadas entre sí.
El sector primario incluye todas las actividades donde los recursos naturales se aprovechan tal
como se obtienen de la naturaleza, ya sea para alimento o para generar materias primas. En el
sector primario se encuentran todas las actividades relacionadas con la agricultura, la explotación
forestal, la ganadería, minería y pesca. El sector secundario se caracteriza por el uso predominante
de maquinaria y de procesos automatizados para transformar las materias primas que se obtienen
del sector primario. Incluye todo tipo de instalaciones, fábricas, talleres y laboratorios de todos las
tipos de industrias. El sector secundario se subdivide en las actividades relacionadas con la
construcción, la industria manufacturera, electricidad, gas y agua. Finalmente, el sector terciario no
produce ni manufactura bienes materiales. En general, el sector se subdivide en: comercio,
servicios y transporte.
Es importante destacar que los tres sectores antes mencionados y todas las actividades que ellos
contienen, ejercen con diferentes intensidades y de forma directa o indirecta un impacto sobre el
ambiente. De manera más específica y por la relevancia que tiene para la realización de este
trabajo, se pone especial atención en aquellas actividades que generan importantes volúmenes de
aguas residuales. En la figura 4.2 se presentan las principales actividades económicas y su
porcentaje de aportación de aguas residuales. Lo anterior es importante ya que diferentes
procesos de tratamiento presentan ventajas sobre otros dependiendo de la composición y
características del agua residual que va a ser tratada. Y a su vez tales características del agua
residual vienen dadas por su procedencia.
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Capítulo 2: Conceptos básicos sobre tratamiento de aguas residuales

2.1. Aguas residuales, características y tipos de tratamiento

De manera general, los objetivos del tratamiento de aguas residuales son básicamente dos: a)
proteger los cuerpos de agua evitando la descarga de aguas residuales contaminadas, b) obtener
un agua de calidad adecuada para su reutilización. El tipo de tecnología utilizada en el tratamiento
de aguas residuales municipales depende no sólo del destino del agua residual, sino de la
disponibilidad de recursos materiales y humanos para construir y operar las plantas de tratamiento.
Estos y otros factores condicionantes han determinado el desarrollo de la infraestructura para el
tratamiento de aguas residuales municipales en México.

Un agua residual puede definirse como un residuo líquido recogido mediante la red de
alcantarillado para su envío a una planta de tratamiento (Mujeriego, 1990). El tipo y la cantidad de
agua residual influente a una determinada planta de tratamiento, refleja la naturaleza del área
servida, el uso que se le ha dado y las condiciones del medio de conducción. En este trabajo se
considera que, según su origen, las aguas residuales pueden clasificarse en: a) urbanas, b)
industriales, c) agropecuarias, d) pluviales y e) de origen incontrolado. El agua residual urbana, a
la cual concierne mayormente este trabajo, puede definirse como un residuo líquido recogido
mediante la red de alcantarillado para su conducción a una planta de tratamiento.

Las aguas residuales domésticas o urbanas, tienen una composición muy variada debido a la
diversidad de factores que la afectan y a la naturaleza de la población residente, el conocimiento
de tal naturaleza es esencial para el adecuado diseño de las instalaciones de recolección,
tratamiento y evacuación del agua residual. En la Tabla 2.1 se presentan datos típicos de
parámetros individuales presentes en las aguas residuales de origen doméstico o municipal.

Tabla 2.1. Composición típica de aguas crudas de origen doméstico
Concentración (mg/l)
Parámetro Alta Media Baja

Sólidos totales: 1200 720 350
Disueltos totales 850 500 250
Fijos 525 300 145
Volátiles 325 200 105
Suspendidos totales 350 220 100
Fijos 75 55 20
Volátiles 275 165 80
Sólidos Sedimentables
(ml/l) 20 10 5
DBO (a 20ºC) 400 220 110
COT 4290 160 80
DQO 1000 500 250
Nitrógeno(total como N) 85 40 20
Orgánico 35 15 8
Amoniacal 50 25 12
Nitritos 0 0 0
Nitratos 0 0 0
Fósforo (como P) 15 8 4
“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Orgánico 5 3 1
Inorgánico 10 5 3
Clorados (b) 100 5 30
Alcalinidad (CaCO3) 200 100 50
Grasas 150 100 50
Unidades en mg/l, excepto los sólidos sedimentables
b Valor que debe ser incrementado de acuerdo con la cantidad de suministro de agua.
Fuente: Manual de agua potable alcantarillado y saneamiento. CONAGUA, 2007

La selección de la serie de procesos de tratamiento que se proporcionará al agua residual está en
función de varios factores, tales como:

Características del agua residual (DBO, sólidos en suspensión, pH,productos tóxicos)
Estándar de calidad requerido en el efluente
Costo y disponibilidad del terreno
Escenarios futuros para previsión de límites de calidad más estrictos.

Tipos de tratamiento

Los pretratamientos implican generalmente la remoción inicial de los sólidos suspendidos totales
como medio de acondicionamiento del agua residual para su posterior tratamiento o bien para su
descarga, si se cumple la calidad exigida para vertido.

Tratamiento primario

Los métodos de tratamiento en los cuales los contaminantes presentes pueden ser eliminados por
medio de la aplicación de fuerzas físicas son considerados tratamientos primarios u operaciones
físicas unitarias. Algunos de los métodos de tratamiento primario más comúnmente empleados
son: cribado o desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación y filtración.

Tratamiento secundario

A los métodos de tratamiento mediante los cuales se consigue la remoción de contaminantes por
actividad biológica, se les conoce como procesos biológicos unitarios o tratamiento secundario. El
tratamiento secundario se aplica cuando se desea eliminar las sustancias orgánicas
biodegradables disueltas o en suspensión. El tratamiento secundario también es efectivo en la
remoción de nitrógeno.

Tratamiento terciario

El tratamiento terciario o procesos químicos unitarios se refieren a los métodos mediante los
cuales la conversión o eliminación de los contaminantes se lleva a cabo por medio de la adición de
productos químicos o por reacciones químicas de otra naturaleza. Algunos de los métodos de
tratamiento terciario comúnmente aplicados son: adsorción, ósmosis inversa, transferencia de
gases, intercambio iónico, etcétera.

Características de la aguas residuales

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Las características físicas, químicas y biológicas del agua residual determinan en buena medida
su procedencia y el tipo de tratamiento que recibirá y que resulte más efectivo.

Características físicas

Pueden definirse de manera simplificada como aquellas características perceptibles a través de los
sentidos, tales características son: temperatura, olor, color, y material en suspensión. Las aguas
residuales “frescas” son generalmente turbias, de color grisáceo y con olor a humedad, pequeñas
partículas de excremento y papel pueden ser observados. Un agua residual se vuelve séptica en
un tiempo de 2 a 6 horas dependiendo de la temperatura y de la naturaleza de los materiales
presentes, un agua residual con mayor temperatura se añeja más rápidamente. Un agua residual
“añeja” tiene diferentes características físicas a las de un agua residual fresca. El agua añeja
posee generalmente un color café obscuro y un pronunciado olor a ácido sulfhídrico, además
puede observarse frecuentemente la emanación de burbujas de CO2 en la superficie del líquido
como producto de la descomposición anaerobia. La más importante de las características físicas es
el contenido total de sólidos.

Sólidos totales (ST). Se definen como el residuo remanente después de que una muestra de agua
residual ha sido evaporada y secada a una temperatura de 103 a 105ºC.

Sólidos suspendidos totales (SST). Se definen como la porción de los sólidos totales que son
retenidos en un filtro de tamaño previamente determinado, después de ser secado a 105ºC. El filtro
más comúnmente usado es el Whatman con un tamaño nominal del poro de 1.58 micrones.

Sólidos disueltos totales (SDT). Pueden definirse como los sólidos que pasan a través de un filtro
con un tamaño nominal de poro de 2 micrones o menos. Los sólidos suspendidos totales se
calculan con la expresión TDS = (TS – TSS).

Sólidos volátiles y fijos. Los sólidos volátiles son aquellos sólidos que pueden ser volatilizados y
consumidos al ser calcinados en un horno sellado a aproximadamente 500ºC. Se asume que se
trata de materia orgánica. Los sólidos fijos se definen como el residuo que permanece después de
que una muestra ha sido quemada en un horno. Los ST, SST y SDT están compuestos por ambos,
sólidos fijos y volátiles. La proporción de sólidos volátiles con respecto a los sólidos fijos (materia
orgánica respecto a la inorgánica) es usada para caracterizar un agua residual con respecto a la
cantidad de materia orgánica presente en el agua residual.

Características químicas

pH. El rango de concentración típico, adecuado para la existencia de la mayoría de las formas
biológicas de vida es de 7 a 9. Aguas residuales con valores extremos en sus concentraciones de
ion hidrógeno, por ejemplo, son difícilmente tratadas por medio de procesos biológicos. El pH se
calcula con la expresión: pH = -log10 [ H + ]

Cloruros. Los cloruros son compuestos a los que hay que prestar atención ya que afectan el tipo de
reúso o aplicación que puede recibir el efluente tratado. Los métodos convencionales de
tratamiento no remueven los cloruros y, por lo tanto, si el agua residual tiene una elevada
concentración de cloruros habría que investigar las fuentes de abastecimiento de agua potable y
planear acciones para reducir los niveles de cloruros en el agua residual.

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

Alcalinidad. La alcalinidad puede ser definida como la habilidad del agua residual de neutralizar
ácidos; es una medida de la capacidad de amortiguamiento contra una caída en los niveles de pH.
La alcalinidad resulta gracias a la presencia de los siguientes iones en el agua residual: iones
hidróxido (OH-), iones carbonato (CO32-) y finalmente el ion bicarbonato (HCO-3). Estos iones
pueden estar presentes con elementos tales como el calcio, magnesio, sodio, potasio y amoniaco

Nitrógeno y fósforo

El nitrógeno al igual que el fósforo, son elementos esenciales para el crecimiento de los
microorganismos, plantas y animales. El nitrógeno es esencial en el agua residual para la síntesis
de proteínas, de ahí que el conocimiento de la cantidad de nitrógeno presente en el agua residual
sea muy importante para determinar si el agua es tratable y bajo qué procesos. El fósforo se
encuentra en las aguas residuales en concentraciones que oscilan entre los 4 y los 16 mg/l. Claro
que este valor se puede disparar en comunidades donde sean utilizados detergentes con un alto
contenido de fosfatos.

Características biológicas

Materia orgánica

Un agua residual urbana típica contiene una elevada concentración de materia orgánica disuelta y
en suspensión. Los principales compuestos orgánicos encontrados en el agua residual, tales como:
proteínas, carbohidratos y grasas se forman por una combinación de carbono, hidrógeno, oxígeno
y en algunos casos, nitrógeno.

Proteínas. La proteínas presentan una estructura compleja y logran descomponerse de diversas
maneras, también poseen una alta concentración de nitrógeno que de hecho es la mayor fuente
de aportación de nitrógeno al agua residual.

Carbohidratos y grasas. Dispuestos en la naturaleza en forma de almidones y azúcares, los
carbohidratos al igual que las proteínas son compuestos de carbono hidrógeno y oxígeno. Los
azúcares fermentan fácilmente produciendo alcohol y CO2,. Por otro lado, los almidones al ser
procesados por las bacterias dan lugar a azúcares. Las grasas son compuestos orgánicos muy
estables por lo que no se descomponen rápidamente bajo acción bacteriana, Sin embargo, los
ácidos minerales las atacan dando como resultado la formación de glicerina y ácido graso.

Otras características

Organismos patógenos. Los organismos patógenos encontrados en el agua residual pueden ser
excretados por humanos o animales que estén infectados o sean portadores de alguna
enfermedad infecciosa. Hay cuatro categorías de organismos patógenos encontrados en las aguas
residuales, que son: bacterias, protozoos, helmintos yvirus.

Constituyentes metálicos. Muchos de estos metales son clasificados como contaminantes
prioritarios. Contaminantes que pueden causar diferentes tipos de cáncer, pero la mayoría de estos
metales son necesarios para el crecimiento de organismos. La presencia de cualquiera de estos
metales en cantidades excesivas interfiere con los beneficios de reutilizar estos efluentes, debido a
su toxicidad.

“El Sistema de Zanjas de Oxidación como una Alternativa de Tratamiento Biológico de Aguas Residuales en México”

2.2. Microbiología de los procesos biológicos de tratamiento de aguas residuales

Los procesos biológicos también denominados como: procesos unitarios o como sistemas
secundarios de tratamiento, son aquellos mediante los cuales se consigue la remoción de
contaminantes por actividad biológica. La estabilización de la materia orgánica contenida en las
aguas residuales se logra biológicamente usando una variedad de microorganismos. Dichos
microorganismos convierten la materia orgánica coloidal y en suspensión en varios gases y
protoplasma, aquí es importante anotar que, a menos de que el protoplasma generado sea
removido, no se alcanzará un tratamiento completo ya que el protoplasma al ser materia orgánica
en sí mismo, sería registrado como carga de DBO en el efluente.

Medida del contenido orgánico (DBO)

La demanda bioquímica de oxígeno (DBO) es el parámetro de contaminación orgánica del agua
residual más utilizado. La DBO supone una medida de la cantidad de oxígeno disuelto necesaria
para que los microorganismos lleven a cabo la oxidación bioquímica de la materia orgánica. Es
decir, la medida de la DBO es importante porque se emplea para determinar la cantidad de
oxígeno necesaria para estabilizar bilógicamente la materia orgánica presente en el agua residual.
La oxidación bioquímica es un proceso lento que, teóricamente, tarda un tiempo infinito en
completarse. Al cabo de 20 días, la oxidación se ha completado de un 95 a un 99 % y en un plazo
de 5 días utilizando el ensayo de la DBO, la oxidación se ha efectuado en un 60-70 %. (Metcalf &
Eddie, 2004). La cinética de la reacción de la DBO se formula generalmente por medio de una
reacción de primer orden, de tal manera que

Integrando esta ecuación para un intervalo de tiempo de 0 a t se obtiene la siguiente expresión:

Los resultados de la prueba de la DBO5 son comúnmente usados para:

a. Determinar la cantidad aproximada de oxigeno que se requerirá para estabilizar la materia
orgánica presente en el agua residual.
b. Determinar el tamaño y características de las instalaciones de la planta de tratamiento
c. Medir la eficiencia de algunos procesos de tratamiento
d. Determinar que se cumple con los valores permitidos para descarga.

Metabolismo

Otro aspecto que es importante conocer y considerar, para una operación adecuada de cualquier
sistema biológico de depuración es la actividad química celular, es decir, su metabolismo. El
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metabolismo, a su vez, se subdivide en catabolismo y anabolismo. Del catabolismo forman parte
todos los procesos bioquímicos en los cuales un sustrato es degradado hasta obtener productos
finales con la correspondiente liberación de energía. Lo anterior importa en el contexto del
tratamiento de aguas residuales, ya que, cuando el sustrato (materia orgánica contenida en el agua
residual) es oxidado, se libera energía durante el proceso y dicha energía es transferida a un
transportador de energía, el cual lo almacena para su posterior uso por las bacterias. Por otro lado,
el anabolismo incluye todos los procesos bioquímicos por medio de los cuales las bacterias
sintetizan nuevos compuestos químicos necesarios para que las células vivan y se reproduzcan.
Este proceso de síntesis es llevado a cabo gracias a la energía almacenada en los transportadores
de energía antes mencionados, los cuales a su vez, la obtuvieron del proceso de degradación del
sustrato. Resulta entonces importante para el tratamiento de las aguas residuales conocer el tipo
de receptor de electrones (electron acceptor) disponible para catabolismo celular ya que este
determina el tipo de descomposición que se presentará (es decir, aerobia, anóxica o anaerobia)

Tipos de microrganismos

Para continuar con el estudio y entendimiento de cómo interactúan los microorganismos con el
medio en el que se encuentran es necesario hacer una pausa e identificar las diferentes formas en
las que se pueden clasificar los microorganismos dada su relación con el agua residual y su
tratamiento. La clasificación por reinos (taxonomía), es tal vez la más conocida, en esta, los
microorganismos son organizados en cinco grupos basándose en sus diferencias estructurales y
funcionales, Tales grupos son:

Animalia. Se trata de organismos multicelulares que presentan motricidad, exhiben diferenciación
de tejido y son heterótrofos.

Plantae. Organismos multicelulares sin motricidad, también muestran diferenciación de tejido y la
gran mayoría son fotosintéticos.

Fungí. La mayoría son microorganismos multicelulares sin motricidad, heterótrofos y
descomponedores.

Protista. Unicelulares motrices en su mayoría, algunos son heterótrofos y otros fotosintéticos.

Monera. Este reino reúne a todos los microorganismos procariotas, los cuales se diferencian de los
eucariotas (los otros 4 reinos) por no tener un núcleo ni organelos, en este reino suelen
encontrase todas las bacterias.

Otra forma de clasificar a los microorganismos es según su fuente de energía y de carbono, ya
que el carbono es el elemento básico utilizado en la síntesis celular. En el tratamiento de las aguas
residuales el objetivo es convertir tanto el carbono como la energía en células de microorganismos
los cuales después podremos remover por sedimentación. Si el microorganismo utiliza materia
orgánica como fuente de carbono se le llama heterótrofo. Por otro lado, a aquellos que únicamente
requieren de CO2 para satisfacer sus necesidades de carbono se les llama autótrofos.

La relación que tienen muchos microorganismos, en particular las bacterias, con el oxígeno,
proporciona otra alternativa de clasificación. Se les llama aerobios obligados a aquellos
microorganismos que tienen oxígeno como terminal receptora de electrones, es decir que llevan a
cabo un proceso de oxidación, mientras que a aquellos microorganismos que no pueden sobrevivir
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en presencia de oxígeno se les llama anaerobios obligados. Al agua residual agotada de oxígeno
suele llamársele anaerobia. Existen otros organismos presentes en el agua residual conocidos
como anaerobios facultativos, estos microorganismos tiene la característica de trabajar como
aerobios y bajo ciertas circunstancias, en ausencia de oxígeno. De hecho, bajo condiciones
anóxicas3 un grupo de microorganismos anaerobios facultativos llamados desnitrificadores utilizan
nitritos (NO2) y nitratos (NO3) como terminal receptora de electrones. El nitrógeno –amoniacal
(NO3) es entonces convertido a gas nitrógeno en ausencia de oxígeno. A este proceso se le
conoce como desnitrificación anóxica.

Descomposición de los residuos

Anteriormente se mencionó que, según el tipo de aceptor de electrones disponible para
catabolismo celular en un cultivo mixto de microorganismos, queda determinado el proceso de
descomposición que se llevará a cabo (aerobia, anóxica o anaerobia)

2.3 Remoción de nutrientes (nitrificación/desnitrificación)

Impactos adversos del nitrógeno en los cuerpos de agua

El nitrógeno posee varias propiedades que lo hacen ambas cosas, un elemento esencial para la
vida en el planeta y al mismo tiempo un elemento que puede dañar severamente el ambientecuando se presenta en exceso. El átomo de nitrógeno tiene la habilidad de hacerse parte de un
gran número de reacciones químicas y por lo tanto, junto con el oxígeno, el carbono y el fósforo,
representa uno de los elementos con mayor capacidad para formar nuevos y más complejos
compuestos esenciales para la vida en la Tierra.

Sin embargo, uno de los mayores problemas asociados con el nitrógeno, es la bioestimulación.
Cuando el nitrógeno aparece en cantidades excesivas en los cuerpos de agua, en combinación
con otros factores como la presencia de CO2 y la luz solar, éste promueve el crecimiento
descontrolado de algas. Tal sobrepoblación de algas produce malos olores cuando éstas están en
proceso de descomposición y a su vez reducen las concentraciones de oxígeno disuelto en el agua
a niveles que resultan letales para la vida acuática. Además, existe la tendencia, especialmente en
lagos y lagunas de almacenar y reciclar los compuestos de nitrógeno, por lo tanto, perpetuando el
excesivo crecimiento algal y promoviendo así, la prematura eutrofización de los cuerpos de agua.
El nitrógeno puede también presentar propiedades tóxicas, bajo ciertas condiciones, muchas
especies de peces pueden morir en la presencia de nitrógeno en forma de amoniaco (NH3).

Aunque normalmente el amoniaco no se presenta de forma natural, es posible, sin embargo, que
en un ambiente con elevado pH el ion amonio (NH4+) pueda transformarse en amoniaco.

Remoción del nitrógeno de las aguas residuales

En un principio, la mayor preocupación y el objetivo principal que se perseguía en el tratamiento
biológico de las aguas residuales, era la remoción de la materia orgánica y el control de la cantidad
de sólidos suspendidos totales en los efluentes de las plantas de tratamiento. Conforme han venido

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Las condiciones anóxicas, al igual que las condiciones anaerobias, indican la ausencia de oxígeno puro. Sin embargo, en
condiciones anóxicas pueden encontrarse presentes sustancias tales como nitratos o sulfatos.
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haciéndose evidentes los impactos adversos generados por el nitrógeno tanto en la calidad del
agua, como en los ecosistemas ligados a dichos cuerpos receptores, la remoción del nitrógeno de
las aguas residuales ha adquirido gran relevancia, más aun cuando se busca ser congruentes con
los nuevos paradigmas del desarrollo sustentable.

A nivel internacional, las legislaciones existentes que regulan los límites máximos permisibles de
descargas de compuestos de nitrógeno han ido haciéndose más estrictas, lo cual requiere
significativas mejoras en la operación y control de los procesos de lodos activados y sus diferentes
variantes, como lo son las zanjas de oxidación. Por otro lado, es importante considerar también los
efectos del nitrógeno en la operación de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

Un aspecto que resulta directamente relevante en la operación de dicha infraestructura son los
efectos que los compuestos de nitrógeno amoniacal tienen sobre la eficiencia de los procesos de
desinfección. El ion amonio (NH4+) reacciona directamente con el acido hipocloroso usado
comúnmente en procesos de desinfección creando lo que se conocen como Cloraminas. El
problema con las cloraminas radica en que resultan ser un oxidante mucho menos eficiente que el
ácido hipocloroso. Como resultado, deberán ser usadas cantidades mucho mayores de cloro para
alcanzar un determinado nivel de desinfección. Además de la situación antes mencionada, las
cloraminas no son deseables en los efluentes de las plantas de tratamiento ya que bajo
condiciones de temperaturas elevadas y de flujo escaso, pueden degradar significativamente la
calidad del agua en el cuerpo receptor.

Otra área de interés en cuanto a la remoción de compuestos de nitrógeno en la operación de
plantas de tratamiento de aguas residuales, es su impacto en el pH, tanto de la planta de
tratamiento como del cuerpo receptor, ya que ciertos tipos de microorganismos utilizados en la
remoción de nitrógeno pueden generar serias caídas en los valores de pH. La USEPA ha medido
que aproximadamente 7mg de alcalinidad (medida como carbonato de calcio, CaCO3) son
necesarios para oxidar 1 mg de nitrógeno amoniacal. Además, alrededor de 4.75 mg de oxígeno
son requeridos para oxidar 1 mg de amonio a nitratos.

Amonificación

Mientras es conducido a través de las tuberías de las redes de drenaje, la mayor parte del
nitrógeno contenido en las aguas residuales crudas (urea y materia fecal) se convierte de nitrógeno
orgánico a amoniaco por medio del proceso anaerobio conocido como hidrólisis. La tasa de
producción de amoniaco (NH3) contra la tasa de producción de amonio (NH4) se ve afectada por el
pH y la temperatura. En condiciones de operación típicas con valores de pH de 6 a 7 y
temperaturas de 10 a 25°C, se producen cantidades mucho mayores de amoniaco que de amonio.

Nitrificación

La oxidación biológica de amoniaco/amonio a nitratos (NO3) recibe el nombre de nitrificación. La
nitrificación es un proceso de dos etapas, en la primera etapa, bacterias conocidas como
nitrosomas oxidan el amoniaco y el amonio a nitritos (NO2). Posteriormente, otro tipo de bacterias
conocidas como Nitrobacter completan el proceso de nitrificación convirtiendo los nitritos a nitratos
(NO3). Este tipo de bacterias conocidas como “nitrificantes”, son estrictamente aerobias. La
nitrificación ocurre solamente en condiciones de concentraciones de oxígeno disuelto de 1.0 mg/L
o mayores. Además, el proceso de nitrificación requiere para su óptimo desarrollo, de tiempos de
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retención extensos, un valor bajo de la relación alimento-biomasa (F/M), un tiempo medio de
retención celular alto (edad de lodos), y un adecuado amortiguamiento para las variaciones de pH.

Por otro lado, la temperatura, el pH, y las concentraciones de oxígeno disuelto son parámetros muy
importantes en la cinética del proceso de nitrificación. La tasa de nitrificación en un sistema de
lodos activados, como lo son las zanjas de oxidación, se reduce conforme se reduce la
temperatura, aunque de la misma manera, a temperaturas de 40°C o mayores las tasas de
nitrificación descienden drásticamente hasta valores cercanos a cero. Los valores óptimos de
temperatura se encuentran entre los 25 a 35°C. A temperaturas menores a 20°C la tasa de
nitrificación decrece de manera importante, pero continúa presentándose hasta temperaturas de
10°C o ligeramente menores.

En cuanto al pH, los valores óptimos están en el rango de 7.5 a 9.0. Para valores menores de 7.0 y
mayores a 9.8, se estima que la tasa de nitrificación es menor al 50% del óptimo. Asimismo, la
nitrificación produce ácidos, dicha formación de ácidos reduce el pH de la población de
microorganismos en los tanques de aireación, lo cual a su vez causa una reducción en la tasa de
crecimiento de bacteria nitrificante. A su vez, La alcalinidad se ve afectada por la oxidación del
amoniaco reduciendo los valores de pH. Se ha estimado que la alcalinidad es abatida a una tasa
de 7.14 mg de por cada mg de nitrógeno amoniacal oxidado. Suficiente alcalinidad debe
permanecer en el agua residual para no abatir los valores de pH. Las máximas tasas de
nitrificación ocurren en concentraciones de oxígeno disuelto mayores a 2 mg/l. (US EPA.
Evaluation of oxidation ditches for nutrient removal, 1992)

Desnitrificación

En el tratamiento de aguas residuales, se conoce como desnitrificación, al proceso en el cual los
nitratos (NO3, ) obtenidos del proceso de nitrificación son reducidos biológicamente a gas nitrógeno
(N2) y dióxido de carbono en ausencia relativa de oxígeno. Al igual que el proceso